【正文】 第二章 機(jī)械傳動(dòng)與工業(yè)機(jī)器人 機(jī)械系統(tǒng)部件設(shè)計(jì)要求 一 、 機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)的特殊要求 機(jī)電一體化的機(jī)械系統(tǒng)與一般機(jī)械系統(tǒng)相比，具有一定的特殊要求： 1. 較高的定位精度 精度直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量 ， 尤其是機(jī)電一體化產(chǎn)品 ， 其技術(shù)性能 、 工藝水平和功能比普通的機(jī)械產(chǎn)品都有很大的提高 ， 因此機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)的高精度是其首要的要求 。 2. 良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性 — 響應(yīng)快 、 穩(wěn)定性好 。 要求機(jī)械系統(tǒng)從接到指令到開(kāi)始執(zhí)行指令指定的任務(wù)之間的時(shí)間間隔短 ， 這樣控制系統(tǒng)才能及時(shí)根據(jù)機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)信息 ， 下達(dá)指令 ，使其準(zhǔn)確地完成任務(wù) 。 要求機(jī)械系統(tǒng)的工作性能不受外界環(huán)境的影響 ， 抗干擾能力強(qiáng) 。 3. 無(wú)間隙 、 低摩擦 、 低慣量 、 大剛度 。 4. 高的諧振頻率 、 合理的阻尼比 。 機(jī)械系統(tǒng)部件設(shè)計(jì)要求 二、主要措施和手段 1. 采用 低摩擦 阻力的傳動(dòng)部件和導(dǎo)向支撐件 。 如：滾珠絲杠副 、滾動(dòng)導(dǎo)向和支承 、 動(dòng)靜壓導(dǎo)向和支承 。 2. 縮 短傳動(dòng)鏈 ， 提高傳動(dòng)與支承剛度 。 如：大扭矩 、 寬調(diào)速的伺服電動(dòng)機(jī)；軸端預(yù)緊或預(yù)拉伸 、 滾珠絲杠副或滾動(dòng)導(dǎo)軌副預(yù)緊消除間歇提高剛度 。 3. 選擇合理 （ 最佳 ） 傳動(dòng)比 ， 提高系統(tǒng)分辨率 ， 減少等效到執(zhí)行元件輸出軸上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 ， 盡可能的提高系統(tǒng)的加速能力。 4. 盡可能地減小或消除傳動(dòng)誤差和反轉(zhuǎn)誤差 、 減少支承變形 ， 最終縮小反向死區(qū)誤差 。 5. 改進(jìn)和合理設(shè)計(jì)支承件和機(jī)架結(jié)構(gòu) ， 提高剛度 、 減少振動(dòng)和噪音 。 機(jī)械系統(tǒng)部件設(shè)計(jì)要求 機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及功能 德國(guó)的排爆機(jī)器人 一、 機(jī)械系統(tǒng)組成 傳動(dòng)結(jié)構(gòu) ：主要功能是傳遞能量和運(yùn)動(dòng) ，是一種力、速度變換器。 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)： 支撐和限制運(yùn)動(dòng)部件按給定的運(yùn)動(dòng)要求和給定的運(yùn)動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)，為機(jī)械系統(tǒng)中各運(yùn)動(dòng)裝置安全、準(zhǔn)確地完成其特定方向的運(yùn)動(dòng)提供保障。 機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及功能 支 承 件：機(jī)座或機(jī)架是支承其他零部件的基礎(chǔ)部件。它既承受其它零部件的重量和工作載荷，又起保證零件相對(duì)位置的基準(zhǔn)作用。 三者功能總結(jié)：實(shí)現(xiàn)傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，支撐和導(dǎo)向，聯(lián)系機(jī)電一體化系統(tǒng)各部件并實(shí)現(xiàn)其構(gòu)造功能。 機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及功能 機(jī)械傳動(dòng)部件的主要功能是傳遞轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速； 它的 實(shí)質(zhì) 是一種轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速變換器； 它的 目的 是使執(zhí)行部件與負(fù)載之間在轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速方面得到最佳匹配。 對(duì) 傳動(dòng)件的要求 ：間隙小、精度高、體積小、重量輕、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、傳遞扭矩大。 二、常見(jiàn)的機(jī)械傳動(dòng)裝置及功能 機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及功能 滑動(dòng)絲杠螺母機(jī)構(gòu) ：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工方便、成本低，且有自鎖功能，但摩擦阻力較大、傳動(dòng)效率低 (30%~40%)。 滾動(dòng)絲杠螺母機(jī)構(gòu) ：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、無(wú)自鎖功能，但摩擦阻力小、傳動(dòng)效率高（ 92%~98%）、傳動(dòng)精度高。 三、 絲杠螺母機(jī)構(gòu) 機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及功能 絲杠螺母機(jī)構(gòu)傳遞運(yùn)動(dòng)的基本條件 1）滑動(dòng)絲杠螺母機(jī)構(gòu)傳遞運(yùn)動(dòng)基本條件： 應(yīng)有足夠的滑移間隙和充分地潤(rùn)滑，熱脹冷縮補(bǔ)償空間；因而，存在一定的空回間隙。 2）滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)傳遞運(yùn)動(dòng)的基本條件： 應(yīng)有足夠的潤(rùn)滑儲(chǔ)油空間和熱脹冷縮彈性補(bǔ)償能力，可實(shí)現(xiàn)無(wú)間隙工作；因而，存在一定的表面應(yīng)力；為了實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，需一滾珠的回珠裝置（內(nèi)或外）。 機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及功能 絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)的類(lèi)型與特點(diǎn) 圖 a 絲杠螺母機(jī)構(gòu)基本傳動(dòng)形式 1)螺母固定、絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)并移動(dòng) 如圖 a所示，該傳動(dòng)形式因螺母本身起著支承作用，消 除了絲桿軸承可能產(chǎn)生的附加軸向竄動(dòng)，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，可獲得較高的傳動(dòng)精度。但其軸向尺寸不易太長(zhǎng)，剛性較差。因此只適用于行程較小的場(chǎng)合。 機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及功能 2)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)、螺母移動(dòng)如圖 b所示，該傳動(dòng)形式需要限制螺母的轉(zhuǎn)動(dòng)，故需導(dǎo)向裝置。 其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、絲桿剛性較好。適用于工作行程較大的場(chǎng)合。 機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及功能 3)螺母轉(zhuǎn)動(dòng)、絲桿移動(dòng) 如圖 c所示，該傳動(dòng)形式需要限制螺母移動(dòng)和絲桿的轉(zhuǎn)動(dòng)，由于結(jié)構(gòu)較復(fù)雜且占用軸向空間較大，故應(yīng)用較少。 機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及功能 圖 絲杠螺母機(jī)構(gòu)基本傳動(dòng)形式 4)絲桿固定、螺母轉(zhuǎn)動(dòng)并移動(dòng) 如圖 d所示，該傳動(dòng)方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，但在多數(shù)情況下，使用極不方便，故很少應(yīng)用。 機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及功能 圖 差動(dòng)傳動(dòng)原理 該方式的絲桿上有基本導(dǎo)程 (或螺距 ) 不同的 (如 l0 l02)兩段螺紋，其旋向相同。當(dāng)絲桿 2轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，可動(dòng)螺母 1的移動(dòng)距離為 S=n (l01－ l02)，如果兩基本導(dǎo)程的大小相差較少，則可獲得較小的位移 S。因此，這種傳動(dòng)方式多用于各種微動(dòng)機(jī)構(gòu)中。 （ 5）差動(dòng)傳動(dòng)方式 機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及功能 四、滾動(dòng)螺旋傳動(dòng) 滾珠絲杠副的組成及特點(diǎn) 滾珠絲杠副是一種新型螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，其螺桿和螺母的螺紋滾道間置滾珠，當(dāng)螺桿或螺母?jìng)鲃?dòng)時(shí)，滾動(dòng)沿螺紋滾道滾動(dòng)，使螺桿和螺母作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)為滾動(dòng)摩擦，提高了傳動(dòng)效率和傳動(dòng)精度。 機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及功能 圖 滾珠絲杠副的構(gòu)成原理 1反向器 2螺母 3絲杠 4滾珠 （ 1）滾珠絲杠結(jié)構(gòu)組成 工作說(shuō)明：滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)滾珠沿螺紋滾道滾動(dòng)，為防止?jié)L珠從滾道端面掉出，在螺母的螺旋槽兩端設(shè)有滾道回程裝置，構(gòu)成滾珠的循環(huán)返回通道，從而形成滾珠流動(dòng)的閉合通道。 機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及功能 （ 2）滾珠絲杠的特點(diǎn) 滾珠絲杠副與滑動(dòng)絲杠副相比有如下特點(diǎn)： 優(yōu)點(diǎn)： ①傳動(dòng)效率高（ ～ ）； ②傳動(dòng)精度高； ③摩擦小、不易磨損，壽命長(zhǎng)； ④運(yùn)動(dòng)的可逆性； ⑤結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工藝性差，成本高。 ⑥軸向剛度高 (即通過(guò)適當(dāng)預(yù)緊可消除絲杠與螺母之間的軸向間隙 )； ⑦運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。 缺點(diǎn)：不能自鎖，傳動(dòng)可逆，在用作升降傳動(dòng)機(jī)構(gòu)時(shí)，需要采取制動(dòng)措施。 內(nèi)循環(huán)單螺母式滾珠絲杠副 機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及功能 滾珠絲杠副的典型結(jié)構(gòu)類(lèi)型 滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)類(lèi)型可以從①螺紋滾道的截面形狀、 ②滾珠的循環(huán)方式和③消除軸向間隙的調(diào)整方法進(jìn)行區(qū)別。 （ 1）螺紋滾道型面 (法向 )的形狀及主要尺寸 圖 螺紋滾道法向截面形狀 機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及功能 單圓弧滾道和雙圓弧滾道的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 單圓弧滾道 ： 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，存在軸向間隙，加工質(zhì)量易于保證，在使用雙螺母結(jié)構(gòu)的條件下，具有軸向間隙調(diào)整和預(yù)緊能力，傳遞精度高。 因此運(yùn)行特性不夠穩(wěn)定。 雙圓弧滾道 ： 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳遞精度由加工質(zhì)量保證，軸向間隙小，無(wú)軸向間隙調(diào)整和預(yù)緊能力，加工困難，加工精度要求高，成本高，一般在輕載條件下工作。 接觸角在工作過(guò)程中基本不變。 雙圓弧滾道 單圓弧滾道 機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及功能 （ 2）滾珠的循環(huán)方式 圖 內(nèi)循環(huán) 工作原理 在螺母 2的側(cè)面孔內(nèi)裝有接通相鄰滾道的反向器 4，利用反向器引導(dǎo)滾珠 3越過(guò)絲桿 1的螺紋頂部進(jìn)入相鄰滾道，形成一個(gè)循環(huán)回路。 a,內(nèi)循環(huán)方式（始終接觸） 特點(diǎn)：優(yōu)：滾珠循環(huán)的回路短、流暢性好、效率高、螺母的徑向尺寸也較小。 缺：反向器加工困難、裝配調(diào)整也不方便。 機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及功能 結(jié)構(gòu)： 實(shí)例：浮動(dòng)式反向器的循環(huán)內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠副 反向器 1 拱形片簧 4 彈簧套 2 優(yōu)點(diǎn)：是在高頻浮動(dòng)中達(dá)到回珠圓弧槽進(jìn)出口的自動(dòng)對(duì)接，通道流暢、摩擦特性較好，更適用于高速、高靈敏度、高剛性的精密進(jìn)給系統(tǒng)。 機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及功能 b,外循環(huán)方式 1）螺旋槽式 結(jié)構(gòu)：在螺母 2的外圓表面上銑出螺紋凹槽，槽的兩端鉆出兩個(gè)與螺紋滾道 相切 的通孔，螺紋滾道內(nèi)裝入兩個(gè)擋珠器 4引導(dǎo)滾珠 3通過(guò)這兩個(gè)孔，應(yīng)用套筒 1蓋住凹槽，構(gòu)成滾珠的循環(huán)回路。 結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)：工藝簡(jiǎn)單、徑向尺寸小、易于制造，但是擋珠器剛性差、易磨損。 機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及功能 2）插管式 結(jié)構(gòu)： 用一彎管 1代替螺紋凹槽，彎管的兩端插入與螺紋滾道 5相切的兩個(gè)內(nèi)孔，用彎管的端部引導(dǎo)滾珠 4進(jìn)入彎管，構(gòu)成滾珠的循環(huán)回路，再用壓板 2和螺釘將彎管固定。 特點(diǎn)：插管式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易制造。但是徑向尺寸較大，彎管端部用作擋珠器比較容易磨損。 機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及功能 3）端蓋式 結(jié)構(gòu)：在螺母 1上鉆出縱向孔作為滾子回程滾道，螺母兩端裝有兩塊扇形蓋板或套筒 2，滾珠的回程道口就在蓋板上。滾道半徑為滾珠直徑的 1． 4～ 1． 6倍。 特點(diǎn)：這種方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工藝性好，但滾道吻接和彎曲處圓角不易準(zhǔn)確制作而影響其性能，故應(yīng)用較少。常以單螺母形式用作升降傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。 機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及功能 滾珠絲杠副的主要尺寸參數(shù) 機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及功能 滾珠絲杠副的精度等級(jí)及標(biāo)注方法 螺紋旋向 ， 右旋不標(biāo) 檢查項(xiàng)目標(biāo)號(hào) 精度等級(jí) 負(fù)載滾珠總?cè)?shù) 基本導(dǎo)程 公稱(chēng)直徑 預(yù)緊方式 （ 見(jiàn)各廠代號(hào) ） 循環(huán)方式 （ 見(jiàn)各廠代號(hào) ） 外形結(jié)構(gòu)特征 （ 見(jiàn)各廠代號(hào) ） （ 1）、精度等級(jí) （ 2）、標(biāo)注方法 尺寸系列 推薦采用的精度等級(jí) 機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及功能 消除間隙和調(diào)整預(yù)緊 （ 1）雙螺母螺紋預(yù)緊調(diào)整式 結(jié)構(gòu)：螺母 3的外端有凸緣，而螺母 4的外端雖無(wú)凸緣，但制有螺紋，并通過(guò)二個(gè)圓螺母固定。 原理：調(diào)整時(shí)旋轉(zhuǎn)圓螺母 2消除軸向間隙并產(chǎn)生一定的預(yù)緊力，然后用鎖緊螺母1鎖緊。預(yù)緊后兩個(gè)螺母中的滾珠相向受力 (如圖 b所示 )，從而消除軸向間隙。 特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、剛性好、預(yù)緊可靠，使用中調(diào)整方便，但不能 精確定量 地進(jìn)行調(diào)整。 機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及功能 （ 2）雙螺母齒差預(yù)緊調(diào)整式 結(jié)構(gòu)：兩個(gè)螺母的兩端分別制有圓柱齒輪 3，二者齒數(shù)相差一個(gè)齒，通過(guò)二端的兩個(gè)內(nèi)齒輪 2與上述圓柱齒輪相嚙合并用螺釘和定位銷(xiāo)固定在套筒 1上。 工作原理： 調(diào)整時(shí)先取下兩端的內(nèi)齒輪 2，當(dāng)二個(gè)滾珠螺母相對(duì)于套筒同一方向轉(zhuǎn)動(dòng)同一個(gè)齒后固定后，則一個(gè)滾珠螺母相對(duì)于另一個(gè)滾珠螺母產(chǎn)生相對(duì)角位移，使二個(gè)滾珠螺母產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)，從而消除間隙并產(chǎn)生一定的預(yù)緊力。 特點(diǎn)：可實(shí)現(xiàn)定量調(diào)整即可進(jìn)行精密微調(diào) (如 0． 002 mm)，使用中調(diào)整較方便。 機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及功能 （ 3）雙螺母墊片調(diào)整預(yù)緊式 結(jié)構(gòu)與原理：調(diào)整墊片 1的厚度，可使兩螺母 2產(chǎn)生相對(duì)位移，以達(dá)到消除間隙、產(chǎn)生預(yù)緊拉力之目的。 特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單剛度高、預(yù)緊可靠，但使用中調(diào)整不方便。 機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及功能 （ 4）彈簧式自動(dòng)調(diào)整預(yù)緊式 結(jié)構(gòu)原理：雙螺母中一個(gè)活動(dòng)、另一個(gè)固定，用彈簧使其間始終具有產(chǎn)生軸向位移的推動(dòng)力，從而獲得預(yù)緊力。 特 點(diǎn)：能消除使用過(guò)程中因磨損或彈性變形產(chǎn)生的間隙，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、軸向剛度低，適合用于輕載場(chǎng)合。 彈簧 機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及功能 （ 5）單螺母變位導(dǎo)程自預(yù)緊式和單螺母滾珠過(guò)盈預(yù)緊式 結(jié)構(gòu)原理：在滾珠螺母體內(nèi)的兩列循環(huán)滾珠鏈之間，使內(nèi)螺紋滾道在軸向制作一個(gè)的導(dǎo)程 突變量 ，從而使二列滾珠產(chǎn)生軸向錯(cuò)位而實(shí)現(xiàn)預(yù)緊，預(yù)緊力的大小取決于突變量和單列滾珠的徑向間隙。 特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，但使用中不能調(diào)整，且制造困難。 圖 單螺母變位導(dǎo)程預(yù)緊式 機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及功能 滾珠絲杠副支承方式的選擇 （ 1）支承方式 1）單推 —— 單推式 結(jié)構(gòu)：止推軸承分別裝在滾珠絲杠的兩端并施加預(yù)緊力。 特點(diǎn)： 軸向剛度較高，預(yù)拉伸安裝時(shí)，預(yù)緊力較大； 軸承壽命比雙推一雙推式低； 機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及功能 2）雙推一雙推式 結(jié)構(gòu)：兩端分別安裝 止推軸承 與 深溝球軸承 的組合，并施加預(yù)緊力，其軸向剛度最高。 特點(diǎn)：該方式適合于高剛度、高轉(zhuǎn)速、高精度的精密絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)。但隨 溫度 的升高會(huì)使絲杠的預(yù)緊力增大， 易造成兩端支承的預(yù)緊力不對(duì)稱(chēng)。 機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及功能 3）雙推 —— 簡(jiǎn)支式 結(jié)構(gòu)：一端